紫云英与稻草还田替代部分化肥对双季稻产量和土壤活性有机碳的影响

谢雪，鲁艳红，廖育林，聂军，张江林，孙玉桃，曹卫东，高雅洁

紫云英与稻草还田替代部分化肥对双季稻产量和土壤活性有机碳的影响

谢雪1,2，鲁艳红1,3，廖育林1,3，聂军1,3，张江林1,3，孙玉桃1,3，曹卫东4，高雅洁

1湖南省土壤肥料研究所，长沙 410125；2湖南农业大学资源学院，长沙 410128；3农业农村部湖南耕地保育科学观测实验站，长沙 410125；4中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081

【目的】基于连续4年田间定位试验，探究紫云英与稻草翻压还田替代部分化肥对双季稻产量以及稻田土壤有机碳组分、碳库管理指数的影响。【方法】开展双季稻田间定位试验，测定早、晚稻产量及连续试验4年后的土壤有机碳和土壤高活性、中活性、活性及非活性有机碳含量，计算土壤碳库管理指数。试验设6个处理：（1）冬闲+氮、磷、钾化肥（CF）；（2）翻压紫云英+氮、磷、钾化肥（MV）；（3）冬闲+稻草低量还田+氮、磷、钾化肥 （RSl）；（4）冬闲+稻草高量还田+氮、磷、钾化肥（RSh）；（5）翻压紫云英+稻草低量还田+氮、磷、钾化肥（MV+RSl）；（6）翻压紫云英+稻草高量还田+氮、磷、钾化肥 MV+RSh）。晚稻收获后，采集0—15 cm耕层土壤，采用重铬酸钾法测定土壤有机碳含量，高锰酸钾氧化法测定土壤高活性（33 mmol·L-1）、中活性（167 mmol·L-1）、活性（333 mmol·L-1）有机碳含量。【结果】等氮磷钾养分投入量下，MV+RSh处理的双季稻产量与CF、RSl处理差异显著，其他处理间水稻产量无显著差异，双季稻总产量RSl处理最高，为13 347 kg·hm-2，MV+RSh处理最低，为11 687 kg·hm-2。连续试验4年后，MV+RSh、RSh、MV+RSl、RSl、MV处理的土壤有机碳含量分别显著增加42.0%、32.9%、29.9%、28.3%、26.3%（＜0.05）；各处理的土壤活性有机碳含量提高了23.9%—56.4%，MV+RSh、RSh、MV+RSl、RSl、MV处理土壤非活性有机碳含量分别显著增加了37.3%、28.6%、25.8%、24.1%、23.4%（＜0.05）。相比CF处理，MV+RSh、MV+RSl、MV、RSh、RSl处理下土壤高活性有机碳含量增加了12.3%—27.7%，中活性有机碳含量增加了5.6%—20.0%，活性有机碳含量增加了9.9%—26.3%。翻压紫云英和稻草还田显著提高了土壤碳库管理指数，CF、MV、RSl、MV+RSl、RSh、MV+RSh处理使得土壤碳库管理指数增加了25.5%—61.7%。【结论】连续4年等氮磷钾养分投入下，翻压紫云英、稻草还田替代部分化肥用量可以保证双季稻产量，提高土壤有机碳含量，且有利于增加土壤高活性、中活性、活性及非活性有机碳的含量，皆以MV+RSh处理增加最显著，与仅紫云英还田相比，仅稻草还田对增加土壤有机碳含量贡献更大。综上，在南方双季稻区，在一定替代范围内，紫云英和稻草还田可以减少化肥用量，保证水稻产量。

紫云英还田；稻草还田；土壤有机碳；土壤活性有机碳；水稻产量

0 引言

【研究意义】土壤有机碳与土壤肥力密切相关，是表征土壤质量的关键指标之一，同时也是影响作物产量的基础物质[1-2]。土壤有机碳含量的降低，会造成土壤板结、通透性变差等一系列质量问题[3-4]。土壤活性有机碳是土壤中易被微生物分解利用的部分，可直接供给作物吸收利用[5]，而非活性有机碳是土壤固碳的关键[6]。因此，提高土壤有机碳、活性以及非活性有机碳的含量对于保障土地的可持续利用具有重要意义。同时，化肥的过量施用不仅会导致环境污染，还会使土壤性状恶化，不利于农业生产的可持续发展[7]，因此减少化肥施用，促进有机肥替代部分化肥成为形势所需。【前人研究进展】绿肥是提升土壤肥力的重要有机肥资源，翻压还田后能补充土壤氮库，减少氮肥的投入，同时绿肥植株本身含有丰富的有机碳，翻压还田后可提高土壤中有机碳的含量，进而提高作物产量[8-10]。研究发现，长期翻压绿肥能够显著提高土壤全氮和有机碳的含量[11-12]。王敬宽等[13]发现在盐碱地翻压绿肥可以显著提高土壤碳氮和土壤微生物量碳氮含量。同时，绿肥作为环境友好型生物资源，可以替代部分化肥来提高农田的生产力，正如冯静琪[14]发现减施40%氮肥条件下紫云英还田可以实现水稻稳产，程会丹等[15]基于长期定位试验发现化肥减量条件下，翻压不同量的紫云英能不同程度地提高土壤中总有机碳的含量，同时保证水稻产量。秸秆也是一种含有丰富有机碳的农业废弃资源，秸秆还田能增加农田的碳投入，有效提高土壤有机碳含量和作物产量[16]。和江鹏等[17]发现秸秆还田既可以提高0—40 cm土层的土壤活性有机碳的含量，也可以提高土壤碳库管理指数（CMI）。吴科生等[18]通过长期研究发现秸秆与化肥配施能持续提升作物产量，保证作物产量的稳定性和可持续性。徐桂红等[19]研究发现连续5年秸秆全量还田能显著增加水稻产量，改善土壤理化性质。因稻草碳氮比（C/N）较高，还田后会影响作物的前期生长，紫云英作为豆科绿肥，具有较低的C/N，紫云英协同稻草还田不仅能够较好地平衡土壤C/N，还可以缓解因稻草还田引起的作物前期氮素供应不足的问题[20]。紫云英和稻草协同还田不仅可以提高土壤有机碳的含量，还可以在减少化肥用量的条件下保证水稻产量[21-22]。周兴等[21]发现在化肥减施20%的条件下紫云英和稻草协同还田有利于土壤中有机碳组分的累积，研究发现[22]紫云英和水稻秸秆联合还田处理在减氮20%和30%的条件下均可以显著增加水稻产量。可见，紫云英和稻草还田对于稻区农业的可持续发展具有重要作用。【本研究切入点】目前，大部分研究集中于紫云英、稻草还田对土壤总有机碳含量变化及水稻产量的影响。等氮磷钾养分投入量下，紫云英、稻草还田替代部分化肥对土壤有机碳以及不同有机碳组分的影响相关研究较少，尤其是对土壤高活性、中活性、活性以及非活性有机碳组分的研究。【拟解决的关键问题】基于以上，本研究主要探究在等氮磷钾养分投入量的前提下，紫云英及稻草还田替代部分化肥的管理方式下（1）土壤中有机碳以及高活性有机碳、中活性有机碳、活性有机碳与非活性有机碳含量的变化；（2）土壤碳库管理指数的变化；（3）是否能使水稻产量保持稳产或提高产量。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验定位于湖南省农业科学院长沙县高桥镇科研基地（113° 21′ E, 28° 28′ N）。该地位于亚热带季风气候带，年平均气温16.8 ℃，年降水量1 400 mm。供试土壤为第四纪红土发育的红黄泥，试验前0—15 cm土层（R）的初始理化性质见表1。早稻供试水稻品种为湘早籼32号，晚稻供试水稻品种为深优9586。

1.2 试验设计

试验开始于2016年春季，共设计6个处理，分别为（1）冬闲+氮、磷、钾化肥（CF）；（2）翻压紫云英+氮、磷、钾化肥（MV）；（3）冬闲+稻草低量还田+氮、磷、钾化肥（RSl）；（4）冬闲+稻草高量还田+氮、磷、钾化肥（RSh）；（5）翻压紫云英+稻草低量还田+氮、磷、钾化肥（MV+RSl）；（6）翻压紫云英+稻草高量还田+氮、磷、钾化肥（MV+RSh）。3次重复，随机区组排列，小区面积为20 m2，小区田埂覆膜隔离，单独排灌。

氮、磷、钾化肥分别为尿素、钙镁磷肥和氯化钾，氮肥50%和钾肥50%作基肥在移栽前1天施用，另50%用作追肥在分蘖盛期施用。磷肥在移栽前全部作基肥施用。紫云英在冬闲期播种，播种量为30 kg·hm-2，紫云英仅在次年早稻季移栽前与前一年晚稻稻草一并翻压入土，紫云英翻压前测产，生长量不足时异地补入，生长过量时刈割移出。具体种植时间如图1所示。等氮磷钾投入量下，除CF处理只施化肥外，其他处理则用不同量紫云英及稻草还田替代部分化肥以减少化肥的施用，具体施肥量见表2。根据田间实践研究，本试验设定紫云英还田量为鲜重14 000 kg·hm-2，紫云英含水量为90%，紫云英的C/N为12.5；高量稻草还田量为干重5 000 kg·hm-2，低量稻草还田量为干重2 500 kg·hm-2，稻草的C/N约为62。各处理的碳输入量如图2所示，本试验中碳投入来自还田稻草、紫云英翻压、收获后水稻残茬以及水稻根和根系分泌物（根系分泌物碳投入为根碳投入的0.65倍[23]）。其中早稻稻草、根、茬的碳含量（以干重计）分别为386.8、360.0、377.3 g·kg-1；晚稻稻草、根茬的碳含量（以干重计）分别为362.4、329.7、376.3 g·kg-1，紫云英碳含量（以鲜重计）为400.0 g·kg-1。

稻草还田处理：在水稻收获后将稻草覆盖于田间，晚稻收获后的稻草在下次早稻插秧前15 天与紫云英一起原地翻压入土，早稻收获后的稻草在晚稻移栽前翻压入土

表2 不同处理下早、晚稻季的具体施肥量

图2 不同处理有机物料的碳输入量

1.3 样品采集与指标测定

试验前采集试验区0—15 cm表层土壤用于基本理化性状分析。2019年10月晚稻成熟期每个小区采用五点取样法采集0—15 cm土层土样，装入密封袋。带回实验室自然风干研磨过筛后，测定土壤有机碳（SOC）、高活性有机碳（HLOC）、中活性有机碳（MLOC）和活性有机碳（LOC）含量。土壤有机碳含量采用重铬酸钾法测定，采用33、167、333 mmol·L-1高锰酸钾氧化法测定土壤高活性有机碳、中活性有机碳和活性有机碳的含量，非活性有机碳含量（NLOC）=土壤有机碳（SOC）含量-土壤活性有机碳（LOC）含量[24-25]。

1.4 计算方法与数据处理

土壤碳库管理指数（CMI）是表征土壤碳库变化的指标，可以较好地反映在不同管理方式下土壤有机碳库的水平动态变化情况。本文的参考土壤设定为2016年试验开始前的基础土壤。土壤碳库管理指数的计算公式如下[26-27]：

碳库指数（CPI）=样品总有机碳含量（g·kg-1）/参照土壤总有机碳含量（g·kg-1）；

碳库活度（L）=样本中的活性有机碳（LOC）含量/样本中的非活性有机碳（NLOC）含量；

活度指数（LI）=样品的碳库活度（L）/参照土壤的碳库活度（L0）；

碳库管理指数（CMI）=CPI×LI×100。

土壤碳累积变化量计算公式如下[28]：

土壤碳累积变化量（Mg·hm-2）=（各处理土壤的碳含量-试前基础土壤的碳含量）×0.001×土壤容重×D×10000；

式中，碳含量（单位为g·kg-1换算为kg·Mg-1），土壤容重固定为试前基础土壤的容重（单位g·cm-3换算为Mg·m-3），D为取样深度（单位为m），0.001表示kg换算为Mg的系数，10000表示m2换算为hm2的系数。

用Microsoft Excel 2016软件进行数据处理，用IBM SPSS Statistic 20进行方差分析，用Origin2021进行绘图及相关性分析。

2 结果

2.1 不同施肥处理对水稻稻谷产量的影响

等氮磷钾养分投入下，经过4年试验发现，紫云英和稻草还田能够影响水稻稻谷产量，由表3可知，2019年早稻季MV+RSh与RSl、CF处理存在显著差异（＜0.05），MV+RSh处理产量最低（4 827 kg·hm-2），CF处理产量最高（5 640 kg·hm-2），其他处理间差异不显著。晚稻季仅MV+RSh和RSl两者存在显著差异（＜0.05），RSl处理下稻谷产量最高，为7 730 kg·hm-2，MV+RSh处理下稻谷产量仅6 860 kg·hm-2。两季稻谷产量总和表明MV+RSh与CF处理差异显著（＜0.05），产量由高到低依次为RSl、CF、MV、RSh、MV+RSl、MV+RSh。等氮磷钾投入下，RSl、MV、RSh、MV+RSl与CF处理间产量无显著差异，说明在一定替代范围内紫云英、稻草还田可以保证双季稻稳产。

2.2 不同施肥处理对土壤有机碳含量的影响

土壤有机碳含量作为评价土壤质量变化的重要指标，能够较好地反映出不同施肥处理对于土壤质量变化的影响。表4表示的是试前基础土壤（R）与4年试验后不同施肥模式下稻田表层土壤（0—15 cm）有机碳含量及其土壤有机碳累积变化量。结果表明，与R相比较，经过4年试验后，除CF处理外，其他处理都显著增加了土壤有机碳含量（＜0.05），其中紫云英+稻草高量还田（MV+RSh）处理土壤有机碳含量显著增加了42.0%，其次RSh、MV+RSl、RSl、MV处理的增幅分别为32.9%、29.9%、28.3%、26.3%。与CF相比，其他处理都增加了土壤有机碳含量，但无显著差异。较试前基础土壤（R），不同处理下0—15 cm土层的有机碳含量都有一定的累积，表现为MV+RSh＞RSh＞MV+RSl＞RSl＞MV＞CF处理，其中MV+RSh处理下土壤有机碳累积量增加了7.74 Mg·hm-2，CF处理下土壤有机碳累积量增加了3.55 Mg·hm-2。说明等氮磷钾投入下，翻压紫云英、稻草还田替代部分化肥施用有利于稻田表层土壤有机碳的积累。

表3 不同处理水稻稻谷产量

不同小写字母表示不同处理间差异显著（＜0.05）。下同

Different lowercase letters indicate significant difference between different treatments (＜0.05). The same as below

2.3 不同施肥处理对土壤活性有机碳组分的影响

活性有机碳是土壤中有效性较高、对植物养分供应有最直接作用的有机碳。试前土壤与经过4年试验后不同施肥处理模式下0—15 cm土层高活性、中活性、活性及非活性有机碳含量见图3，不同处理土壤各活性有机碳组分累积量如表5所示。由图3和表5可知，等氮磷钾投入下，紫云英、稻草还田有利于提高土壤各活性有机碳组分含量和促进土壤不同活性有机碳组分的积累。

2.3.1 高活性有机碳含量及累积变化量 相较于试前基础土壤（R），4年试验后，CF、MV、RSl、RSh、MV+RSl、MV+RSh处理显著提高了土壤高活性有机碳含量（＜0.05），其含量为1.313—1.677 g·kg-1之间，MV+RSh处理提高了71.8%，CF增加34.5%。相比于CF，MV+RSh、RSh、MV+RSl、RSl、MV处理分别增加了27.7%、26.3%、19.7%、12.3%、6.0%。经过4年连续试验，不同处理土壤高活性有机碳都得到了累积，其累积变化量表现为MV+RSh＞RSh＞MV+RSl＞RSl＞MV＞CF处理，与CF相比，MV+RSh和RSh处理土壤高活性有机碳累积变化量显著提高了107.3%和100.0%。

2.3.2 中活性有机碳含量及累积变化量 由图3可知，仅MV+RSh处理与试前土壤的中活性有机碳存在着显著性差异（＜0.05），其他处理无显著性增加。4年连续试验后，不同处理间的中活性有机碳（MLOC）含量不存在显著差异。类似地，不同处理的土壤中活性有机碳累积变化量也不存在显著性差异（表5）。

2.3.3 活性有机碳含量及累积变化量 不同处理下土壤活性有机碳含量变化趋势和高活性有机碳含量类似。与试前土壤相比，MV+RSh、RSh、RSl、MV+RSl、MV处理下土壤活性有机碳的含量分别显著增加了56.4%、34.8%、28.8%、28.0%、25.1%（＜0.05）。4年连续试验后，MV+RSh处理土壤活性有机碳累积量增加了2.38 Mg·hm-2，但不同处理间无显著差异（图3，表5）。

2.3.4 非活性有机碳及累积变化量 4年试验后，与试前土壤相比，MV+RSh、RSh、MV+RSl、RSl、MV处理土壤非活性有机碳含量显著增加了37.3%、28.6%、25.8%、24.1%、23.4%（＜0.05）。连续4年试验后，各处理的非活性有机碳累积量皆有增加， MV+RSh处理增加了5.36 Mg·hm-2，CF处理增加了2.54 Mg·hm-2，但不同处理间土壤非活性有机碳累积变化量差异不显著（图3，表5）。

图3 不同活性有机碳组分含量

表5 连续4年试验后不同处理0—15 cm土层土壤活性有机碳组分累积变化量

2.4 不同施肥处理对土壤碳库管理指数的影响

碳库管理指数（CMI）是反映土壤碳素动态变化灵敏且有效的重要指标[29]，土壤性能向良性方向发展，土壤肥力水平增加，则CMI表现为上升；若土壤性能向不良方向发展，土壤肥力水平下降，则CMI表现为降低。图4显示的是连续4年试验后土壤碳库管理指数变化。数据表明，与试前基础土壤相比，除CF处理，其他处理的土壤碳库管理指数显著增加了39.7—61.7（＜0.05），连续4年试验后不同的施肥处理都提高了土壤碳库管理指数，使土壤性质向良性方向发展。

图4 连续4年试验后不同处理的土壤碳库管理指数（CMI）

2.5 相关性分析

双季稻产量和土壤有机碳组分、碳输入的相关性分析结果（图5）表明，在等氮磷钾投入下，连续4年有机物料替代部分化肥，水稻产量与化肥氮磷钾投入量显著正相关（＜0.01）；与有机氮磷钾投入量显著负相关（＜0.01）；与C输入、HLOC显著负相关（＜0.05）；与SOC、LOC、MLOC、NLOC无显著相关性。SOC、LOC、HLOC、NLOC间互相显著正相关（＜0.001），SOC和LOC与有机氮磷钾输入、C输入显著正相关（＜0.05）；与化肥氮磷钾输入显著负相关（＜0.05）。HLOC与有机氮磷钾输入、C输入显著正相关（＜0.01）；与化肥氮磷钾输入显著负相关（＜0.01）。MLOC与HLOC（＜0.01）、NLOC（＜0.05）显著正相关；与有机氮磷钾输入、化肥氮磷钾输入、C输入无显著相关性。NLOC与有机氮磷钾输入显著正相关（＜0.05），与化肥氮磷钾输入显著负相关（＜0.05），与C输入无显著相关性。

图5 双季稻产量和土壤有机碳组分、碳输入的相关性热图（*：P≤0.05；**：P≤0.01；***：P≤0.001）

3 讨论

3.1 不同有机物料替代化肥不同比例下的水稻产量

在南方双季稻田，种植翻压豆科绿肥和稻草还田是培肥土壤、提高土壤养分有效性的重要手段。紫云英具有固氮特性，还田后可以为后茬水稻生长提供氮素，同时具有活化土壤磷的功能。稻草还田后也可以快速释放水稻生长所需要的钾元素。前人研究表明紫云英和稻草还田可以替代部分氮肥，在氮肥减施20%—40%条件下保证水稻稳产甚至增产[30-32]。程会丹[33]通过连续11年田间定位试验研究发现，氮、钾肥减施40%，翻压15—37.5 t·hm-2紫云英可保证双季稻稳产。吴建富等[34]发现等氮磷钾养分投入下，紫云英和稻草还田替代N 15.1%—34.9%，P2O56.5%— 14.7%，K2O 5.4%—68.7%时，晚稻产量能够显著提高9.4%—11.8%。本研究结果表明，相比全部施用化肥，紫云英+稻草高量替代化肥（氮肥替代31.8%，磷肥替代9.0%，钾肥替代91.7%）时水稻产量显著降低11.8%，而紫云英和稻草替代氮肥9.1%—22.7%，磷肥2.9%—6.7%，钾肥8.3%—83.3%时，水稻产量无显著变化。这表明在适量替代范围内，紫云英和稻草还田能够保证水稻稳产，这与前人的研究结果相符。同时，相关性分析结果也表明，在等氮磷钾养分投入量下，双季稻产量与化肥氮磷钾投入量显著正相关，而与紫云英和稻草提供的氮磷钾养分量呈显著负相关关系（＜0.01），这与有机物料养分释放特性有关。当有机氮磷钾替代量较高时，大量高碳氮比的水稻秸秆在腐解过程中会引发微生物与水稻争氮的现象，从而影响苗期水稻的生长，导致水稻产量降低[35]。同时，稻田在淹水状态下，有机物料稻草和紫云英还田后会在土壤中进行厌氧分解，随着有机物料还田量的增加，土壤中还原性物质积累，对水稻具有一定的毒害作用，是造成产量降低的可能原因[36]。因此，紫云英+稻草联合利用并替代部分氮磷钾化肥时，稳定或增加水稻产量需要考虑合理的替代比例。

3.2 不同施肥模式下土壤有机碳含量

土壤有机碳含量和有机物料的输入紧密相关[37]，紫云英和稻草是南方稻田重要的土壤有机投入品。研究发现种植翻压紫云英能够改善土壤的各项理化性质，提高土壤肥力，促进有机碳的转化，提升土壤有机碳含量[38-39]。稻草含有丰富的有机养分，稻草还田是提升土壤有机碳含量的有效手段[40-41]。郭乾坤[42]在长期定位试验中发现等氮磷钾投入下，翻压45 000 kg·hm-2紫云英替代部分化肥，土壤有机碳含量提高了16.4%，土壤有机碳对于作物产量具有正面影响。同时也有研究[43]发现，连续4年的等养分条件下紫云英和稻草还田替代部分化肥，土壤有机质累积程度增加，土壤肥力得到较好的改善，利于水稻增产。本研究结果表明，单独翻压紫云英、单独稻草还田以及紫云英+稻草联合还田均能提高土壤有机碳含量，这与前人研究结果相似[15,44]。相比于试前土壤，连续4年单独翻压紫云英、单独稻草还田以及紫云英+稻草联合还田可分别增加土壤有机碳总量4.89、5.27—6.21、5.55—7.74 Mg·hm-2。在等氮磷钾投入的前提下，土壤有机碳的含量与有机物料碳投入显著正相关（＜0.01），表明土壤有机碳含量随紫云英和稻草有机物料碳投入量的增加而增加。此外，紫云英和稻草还田后，其分解释放的养分还能通过促进水稻根系生长，增加水稻地下部生物量及根系凋落物总量，这也有利于土壤有机碳的积累[15,45]。

另外，本研究发现在稻草还田的基础上增加紫云英投入可以进一步增加土壤有机碳含量，这与周国朋等[46]的研究结果一致。ZHOU等[47]发现降低有机投入物的C/N更有利于土壤有机碳的积累。本研究中稻草具有较高的碳氮比（约62﹕1），还田后矿化速率较慢，而紫云英具有较高的氮含量（碳氮比约25﹕1），稻草与紫云英协同还田可以调节有机物料投入的C/N，这可能也是紫云英+稻草协同还田的土壤有机碳含量高于稻草单独还田的原因。本研究还发现，稻草单独还田比紫云英单独还田更有利于提高土壤有机碳含量，这与周兴等[21]在湖南南县连续5年的双季稻定位试验研究结果一致。该现象主要与稻草单独还田具有更高的碳输入量有关。另外，紫云英碳氮比低，其鲜物质翻压还田可能引发土壤的“激发效应”，造成土壤原有有机碳的矿化分解[48]。而单施化肥处理下，土壤有机碳含量增加主要是由于水稻收割后根茬残留对土壤有机碳的贡献[49-50]。

3.3 不同施肥模式下土壤不同活性有机碳组分及土壤碳库管理指数

活性有机碳是土壤有机质的重要组成部分，具有易于被土壤微生物分解利用的特征，也是植物获取土壤养分的主要来源。大量研究表明紫云英和稻草还田能够增加土壤不同活性有机碳组分含量，提高土壤碳库管理指数[15,21,29]。刘威等[51]研究表明，连续3年试验中紫云英和稻草还田均能显著增加土壤活性有机碳含量，且在第2、3年，单稻草还田、紫云英+稻草还田处理的活性有机碳含量显著高于单独紫云英还田处理，土壤活性有机碳和水稻产量呈现极显著正相关关系。在等养分投入下，有学者[42]发现紫云英替代氮肥56.6%，磷肥60.0%，钾肥52.6%显著增加土壤微生物量碳含量。在等氮磷钾投入下，有机物料替代50%化肥周期性添加，BHARDWAJ等[52]发现外源C输入量可以直接影响土壤碳储量和土壤活性碳组分，而对非活性有机碳的影响不大；绿肥和秸秆还田土壤高活性和低活性有机碳组分增幅最大，随着碳输入的增加，土壤活性和低活性有机碳组分也显著增加，绿肥还田处理还能显著提高土壤的固碳潜力，且碳投入与地上生物量产量之间均存在显著相关关系。本研究发现，经过4年试验处理后，土壤活性有机碳组分得到了正向累积，且CMI也显著增加，这与郑佳舜等、彭华等、唐海明等[39,41,53]的研究结果一致，这说明紫云英和稻草还田不仅能提高土壤活性有机碳组分的含量，还能改善土壤质量。这一方面是因为紫云英和稻草作为新鲜有机物料本身含有大量养分，还田后为微生物活动提供了丰富的碳源和氮源，使得较多的大分子有机质被分解为小分子有机质，从而提高了土壤中活性有机碳组分的含量[15]。另外，连续的有机物料投入也会促进土壤原有有机碳被微生物分解，转化为更易被作物吸收利用的活性有机碳[54]。

本研究还发现，紫云英+稻草高量还田处理下土壤活性有机碳组分累积增加最多，且CMI增幅也最大，这与该处理有机物料的高投入量有关。由于紫云英+稻草高量还田为土壤微生物提供了充足的有机底物，土壤微生物活动增强，有利于有机物向活性组分的转化。龙攀等[55]也发现绿肥和稻草还田能够增加土壤活性有机碳及土壤碳库管理指数。与参考土壤相比，经过4年的试验后，CF处理的CMI也有所增加，是由于施肥增加了水稻根及根茬的生物量，提高了土壤碳投入，进而有利于土壤的活性有机碳的增加，这与李继明和徐虎等[49-50]的研究结果一致。

相关性热图的分析结果表明，不同活性有机碳组分和土壤有机碳的相关性大小表现为活性≈高活性＞中活性，说明3种不同活性有机碳组分中，活性有机碳和高活性有机碳组分更能体现土壤总有机碳的变化，且本研究发现非活性有机碳属于土壤中较为稳定的有机碳，与有机物料碳投入无显著相关性。紫云英和稻草还田皆可显著增加土壤非活性有机碳含量，这可能是因为紫云英和稻草还田通过促进土壤大团聚体形成[56]，增强了土壤有机碳的稳定性，从而提高了土壤非活性有机碳含量。

4 结论

4.1 在等氮磷钾养分投入量下，紫云英与稻草还田替代部分化肥（氮肥替代9.1%—22.7%，磷肥替代2.9%—6.7%，钾肥替代8.3%—83.3%）可以实现双季稻稳产，其中稻草低量还田替代部分化肥最有利于维持双季稻产量。

4.2 紫云英和稻草还田替代部分化肥可以提高土壤有机碳及不同活性有机碳组分含量，显著提高土壤碳库管理指数；紫云英和稻草还田显著增加了土壤非活性有机碳含量，有利于提高土壤碳储量，且以翻压紫云英+稻草高量还田处理效果最佳；相比于紫云英单独还田替代部分化肥，单独的稻草还田更有利于提升土壤有机碳含量。

综上，紫云英和稻草还田替代部分化肥可在保证双季稻产量的条件下促进土壤中有机碳含量的增加，在提高土壤活性有机碳组分的同时也有利于土壤中稳定的非活性有机碳的积累，对增加土壤碳固存具有重要作用。

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Effects of Returning Chinese Milk Vetch and Rice Straw to Replace Partial Fertilizers on Double Season Rice Yield and Soil Labile Organic Carbon

XIE Xue1, 2, LU YanHong1, 3, LIAO YuLin1, 3, NIE Jun1, 3, ZHANG JiangLin1, 3, SUN YuTao1, 3, CAO WeiDong4, GAO YaJie1, 3

1Hunan Soil and Fertilizer Institute, Changsha 410125;2College of Resources, Hunan Agricultural University, Changsha 410128;3Scientific Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation (Hunan), Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Changsha 410125;4Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081

【Objective 】 The purpose of this study was to investigate the effects of replacing partial chemical fertilizers with Chinese milk vetch and rice straw on double rice yield and the soil labile organic carbon fractions, carbon pool management index of the paddy soil based on four consecutive years of field experiment. 【Method】 The double-season rice field experiment was conducted, and then yield of rice yield early and late rice, contents of soil organic carbon, soil high labile, medium labile, labile and no labile organic carbon were measured after four years experiment, then soil carbon pool management index were calculated. There were six treatments: (1) Winter fallow + N, P, K (CF); (2) Chinese milk vetch+N, P, K (MV); (3) Winter fallow + low weight of rice straw returning+N, P, K (RSl); (4) Winter fallow+high weight of rice straw returning+N, P, K (RSh); (5) Chinese milk vetch + low weight of rice straw returning+N, P, K (MV+RSl); (6) Chinese milk vetch + high weight of rice straw returning+N, P, K (MV+RSh). After harvest of late rice, 0-15 cm surface soil was collected. Potassium dichromate method was used to determine the content of soil organic carbon, and potassium permanganate oxidation method was used to determine the content of soil organic carbon with high labile (33 mmol·L-1), medium labile (167 mmol·L-1) and labile (333 mmol·L-1). 【Result】Under the equal nitrogen, phosphorus and potassium nutrient inputs, the double-season rice yield under the MV+RSh treatment differed significantly from the CF and RSl treatments, while there was no significant difference in rice yield between the other treatments, and the total double-season rice yield was the highest under the RSl treatment at 13 347 kg·hm-2and the lowest in the MV+RSh treatment at 11 687 kg·hm-2. After four years of continuous trials, the MV+RSh, RSh, MV+RSl, RSl, and MV treatments significantly increased soil organic carbon by 42.0%, 32.9%, 29.9%, 28.3%, and 26.3% (＜0.05), respectively; soil labile organic carbon content was increased by 23.9%-56.4% in each treatment, and soil no labile organic carbon content under MV+RSh, RSh, MV+RSl, RSl, and MV treatments significantly was increased by 37.3%, 28.6%, 25.8%, 24.1% and 23.4% (＜0.05). Compared with the CF treatment, soil high labile organic carbon was increased by 12.3%-27.7%, medium labile organic carbon was increased by 5.6%-20.0%, and labile organic carbon was increased by 9.9%-26.3% under MV+RSh, MV+RSl, MV, RSh and RSl treatments. The CF、MV、RSl、MV+RSl、RSh、MV+RSh treatments increased the soil organic carbon pool management index by 25.5%-61.7%.【Conclusion】 Under four consecutive years of equal nitrogen, phosphorus and potassium nutrient inputs, returning Chinese milk vetch and rice straw replacing part of the chemical fertilizer dosage could ensure double-season rice yields and increase soil organic carbon content, and also help to increase the content of high labile, medium labile, labile and no labile soil organic carbon, all of which were most significantly increased by the treatment of MV+RSh. The contribution of rice straw alone to the increase in soil organic carbon content was greater than that of Chinese milk vetch alone. To sum up, in the southern double-season rice area, within a certain range of substitution, the return of Chinese milk vetch and rice straw to the field could reduce the amount of chemical fertilizer and ensure rice yield, which was of great significance for green and sustainable rice production.

Chinese milk vetch returning; rice straw returning; soil organic carbon; soil labile organic carbon; rice yield

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.18.008

2022-10-21；

2022-12-06

国家重点研发计划（2021YFD1700200）、现代农业产业技术体系建设专项资金（CARS-22-G-11）、国家自然科学基金联合基金项目（U19A2046）

谢雪，E-mail：2224810653@qq.com。通信作者高雅洁，E-mail：gyj06107048@163.com

（责任编辑 李云霞）